Ion hidrogeno:
Ion de hidrógeno, estrictamente, el núcleo de un átomo de hidrógeno separado de su electrón acompañante. El núcleo de hidrógeno está formado por una partícula que lleva una carga eléctrica positiva unitaria, llamada protón (q.v.). El ion de hidrógeno aislado, representado por el símbolo H +, se usa habitualmente para representar un protón. Debido a que el núcleo desnudo puede combinarse fácilmente con otras partículas (electrones, átomos y moléculas), el ion de hidrógeno aislado puede existir solo en un espacio libre de partículas (alto vacío) y en estado gaseoso.
En el uso común, el término ion de hidrógeno se utiliza para referirse al ion de hidrógeno presente en soluciones de agua, en el que existe como la molécula combinada H + · H2O.
La fórmula H + · H2O también se escribe comúnmente como H3O + y denota el ion hidronio u oxonio. La cantidad de ion de hidrógeno presente en una solución de agua se usa como una medida de la acidez de una sustancia; cuanto mayor es la concentración de iones de hidrógeno, más ácida es la solución y menor es el pH.
La estructura y la dinámica del ion de hidrógeno en el agua han sido revisadas [2628]. El ion de hidrógeno desnudo (un protón) tiene una densidad de carga extremadamente alta (≈ 2×1010 la de Na +), hidrata fácilmente f y no puede existir libremente en la solución. La hidratación inicial forma el ion hidroxonio (H3O +) (comúnmente llamado ion de hidrógeno e isoelectrónico con amoníaco, NH3). d Tiene una estructura piramidal trigonal aplanada (con valores de fase gaseosa calculados de longitud de enlace OH 0.961 Å, ángulo HOH 114.7 °; e esto puede compararse con los valores líquidos calculados significativamente diferentes de longitud de enlace OH 1.002 Å, ángulo HOH 106.7 ° [ 709]) con simetría C3v y protones equivalentes. H3O + tiene un radio iónico efectivo de 0.100 nm [1946], algo menor que el radio molecular de H2O (0.138 nm). Su volumen molar es de -5.4 cm3 mol-1 debido a la electrostricción [1946]. Forma el núcleo del catión ‘Eigen’, descrito más adelante.
Energía de inversión para H3O +, a partir de [2362]
Energía de inversión para H3O + a partir de [2362] La estructura puede invertirse (como un paraguas arrastrado por el viento) con una energía de activación menor que la de un enlace de hidrógeno [2362] y esto puede ocurrir como una alternativa, o incluso preferida, vía de rotación dentro de un clúster dinámico unido a hidrógeno.
H3O + también se encuentra en los monohidratos de HCl, H2SO4 y HClO4, por ejemplo, [H3O +] 2 [SO42-]. b Todos los orbitales moleculares ocupados de H3O + están en otra página. Todos los iones de hidrógeno se forman a partir de un “núcleo” H3O +. No son estructuras fijas en solución acuosa, sino que existen como agrupaciones “parpadeantes”, como ocurre con otros grupos de agua, y las moléculas de agua de enlace de hidrógeno van y vienen continuamente. La vida útil de los clusters es independiente de la duración de los enlaces individuales. Sin embargo, las diferencias de energía entre los diferentes tipos del clúster en solución acuosa son pequeñas y las interconversiones tienen lugar fácilmente.
Se ha demostrado que H3O + puede donar tres enlaces de hidrógeno (pero acepta casi ninguno); la fuerza de estos enlaces de hidrógeno donados es más del doble de fuerte que la de las moléculas de H2O en agua a granel [1198]. Un estudio reciente de pares solitarios muestra que el ion hidronio no posee el par solitario esperado (ver 3a1 HOMO) ya que estos electrones están distribuidos en los tres protones y no hay un mínimo en el potencial electrostático en el lugar esperado [2137]. Esto significa efectivamente que el catión H3O + se puede considerar como H9O4 + en solución. La polarización hace que estas primeras moléculas de agua de concha donen dos enlaces de hidrógeno adicionales (pero también aceptan poco) con puntos fuertes aún algo más altos que el agua a granel [1198]. Las segundas moléculas de agua de concha también donan dos enlaces de hidrógeno (pero también aceptan solo uno con un enlace de hidrógeno más bien débil) con resistencias aún fraccionalmente más altas que el agua a granel [1198]. El sesgo hacia los enlaces de hidrógeno donados, dentro del grupo de iones H21O10 + de dos capas, requiere que esté rodeado por una zona de enlaces de hidrógeno rotos. Esto es confirmado por espectros infrarrojos que muestran que la presencia de un ion H3O + se extiende para afectar el enlace de hidrógeno de al menos 100 moléculas de agua circundantes [1246].
H5O2 + que muestra el enlace de hidrógeno desigualmente espaciado (arriba)
y enlace de hidrógeno igualmente espaciado en la forma C2 (abajo)
Ion dihidronio (H5O2 +) e ion hidróxido hidratado (H3O2-)
El ion hidroxonio se une fuertemente a otra molécula de agua de dos maneras posibles (en el vacío). Enfrente se muestran los dos iones dihidronio H5O2 + con energías muy parecidas, donde el protón está asimétricamente (arriba) o simétricamente (abajo) centrado entre los átomos de O. mi
H5O2 + diagrama de energía y las energías vibratorias de punto cero
Diagrama de energía del cálculo ab initio 6-31G **) y las energías vibratorias de punto cero para H5O2 + iones dihidronio <